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固态电池是救世主吗?浅析动力电池前沿技术创新策略与思考

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导读:经过十几年的快速发展,动力电池技术在能量密度、充电速度和成本效益方面取得了显著突破。然而,随着传统设计元素的潜力接近极限,动力电池技术的进步正面临新的挑战。行业内部出现了产品同质化加剧,产能过剩和价格竞争等现象,这标志着行业进入了一段调整和转型的阵痛期。

一、固态电池技术是救世主吗?

当前,固态电池作为一项前沿技术,备受业界期待,被普遍认为有望成为下一代电池技术的领军者。不过,从当前的技术发展阶段和产业配套完善程度来看,固态电池尚处于研发和试验阶段,距离大规模商业化应用还有一段路要走。这意味着固态电池在短期内可能难以迅速解决动力电池行业目前面临的产能过剩和价格竞争等问题。以固态电池为原型的降阶固态电池概念,如半固态电池、凝聚态电池等,在技术上更容易实现,在行业内也引起了广泛的关注。然而,这些降阶固态电池技术往往与固态电池最初的设计理念相悖,即在确保固有安全性和成本效益的同时显著提升能量密度。以半固态电池为例,它们通过将部分液态电解质替换为固态材料,确实能够在一定程度上增加电池的能量存储能力。但这种设计牺牲了一定的安全性,因为在实际测试中,这类电池的失控风险可能不降反升。这是因为尽管电解质部分固化,但电池中依然含有易燃的液态成分,加之高能量密度的特性,一旦发生失控,其潜在的破坏性可能会更大。

二、一种更务实的电池创新技术策略

在期盼未来电池技术的革命性进展的同时,对现有电化学体系进行深入和系统的创新同样是一种更为现实和务实的技术策略。

特斯拉在这一领域已经走在了行业前列。在2020年电池日上,特斯拉提出了一系列组合创新技术(大圆柱+全极耳+干电极等)为行业带来全新的视角,并迅速引起全行业的关注跟进。尽管这些创新技术在大规模商业化过程中面临着诸多的挑战和障碍,但它们目前已逐步进入商业化的初步阶段。这些创新元素的引入,不仅有效解决了一些行业内的关键问题,还启迪了行业从更底层的视角来正向地进行设计创新。比如干电极技术就为我们带来了完全不一样的技术创新逻辑。传统的设计思路下,为了提高能量密度往往会把极片的活性物质不断涂的更厚,集流体不断减薄(或者替换成复合集流体),这样的方式只能非常粗暴片面地解决部分问题,很难在全局的视角下进行系统性优化,典型的“鱼和熊掌不可兼得”。单纯把极片涂的更厚虽然可以提升能量密度,但是往往会带来其他方面的劣化,比如充电能力的损失等。此外,传统的涂布工艺本身在生产厚极片的过程中还会遇到制造问题。不同于传统的“堆料设计”思路,干法电极采用“减法设计”思路,创造性地带来了“全都要”的系统性全局优化方案,使其具有多方面的优势:环境友好、制造降本、热力学性能和动力学性能同时提升。

三、锂电池理想的电极

干法电极这些独特的性质,也给行业重新抛出一个“旧问题”:锂电池理想的电极应该是什么样的呢?这个问题我们可以从不同的侧面来分析。

传统电极低“顺路度”电子离子回路

首先,基于电化学原理,电极是发生电化学反应的场所,所以其必须具备高效的电子和离子输运能力。传统的电极设计分别为电子和离子提供了两组路径:集流体为电子提供通路,而离子通路通过电极内的填充电解液构建。这种结构两个路径的“顺路度”较低,且离子回路比较迂曲,成为输运的瓶颈环节。从输运的功能性需求来看,理想的电极应该具有高“顺路度“ 的电子离子回路,路径要尽可能短且直。

其次,从极片的结构性需求来看,极片需要维持稳定的物理结构。传统电极的集流体和粘结剂组分共同承担着把活性颗粒固定在一起的作用。这种结构粘接方式的局限性也很明显,由于活性物质层与集流体只能在一个面上进行粘接,集流体只能在平行平面方向约束极片延展,无法有效约束极片厚度方向上的膨胀,因此在使用颗粒膨胀比较大的活性材料时(如含硅负极),极片的膨胀会非常大,从而使得极片结构受到破坏,致使体系容量衰减加速。

再次,从安全性角度分析,理想电极应该反应非常均匀,不容易出现局部析锂短路甚至在外部针 刺后依然能够保证较低的短路概率,即使短路也有比较大的短路电阻,从而避免短路过程中产生过多的热量。传统电极的电子离子回路低“顺路度“使得其电极表面跟底面反应均匀性较差,大倍率充电时电极表面容易析锂。同时铜箔和铝箔集流体一旦发生针 刺就会直接短路,金属集流体接触电阻极小,所以短路后电流极大,直接诱发热失控。

最后,从能量密度需求角度分析,极片中非活性物质的质量占比越低越好,这样极片的比能量密度才能最大化的发挥出来。

综合考虑电化学功能、物理结构、安全性及能量密度等关键因素,理想的电极设计应能在一个简洁高效的方案中,将这些不同的需求完美融合。借鉴一些仿生结构,我们大致可以获得一个理想电极的简单示意图像:具有极脉结构的电极。仿生极脉提供电子/离子高“顺路度“双回路,同时承担维持极片的结构稳定性作用。类似于叶脉结构,极脉可以可以作为电子跟离子的高速公路,使极片内每一个地方都能够接收到充足的反应”物资“,从而使反应快速且均匀,避免局部反应不均匀的析锂风险。省去了传统电极的集流体的另一个好处是被外界针 刺时的正负极集流体短路风险大大降低。

极脉替代集流体的理想电极图像

基于这样的极片结构图像,通过仿真分析表明,仿生极脉的引入可以显著提升极片内的离子输运能力,电极厚度方向的反应均匀性可以得到显著改善。

极脉纤维结构对极片的膨胀束缚作用也可以通过仿真手段进行分析。从极片结构力学角度进行建模仿真发现,引入极脉纤维结构之后,可以非常有效地约束极片,跟传统极片结构相比引入极脉结构后极片膨胀量可以改善量可达~20%。这也就可以间接提高极片的稳定性,使得极片的容量损失速度大大降低。

将极片的膨胀效应与电化学老化机理模型相耦合,可以更深入地评估其耐久性。在相同的电化学体系框架下,耦合模型的分析揭示了膨胀率即使只有20%的变化,也可能引起寿命行为的显著差异。

以上的寿命行为分析对比还只是考虑膨胀效应的影响,进一步将极片的其他差异因素考虑进电化学老化机理模型,可以发现极引入极脉替代集流体的电极结构,甚至有可能改变电池的衰减路径,使得电池在80%SOH边界内的加速衰减阶段不再出现。

除了上述性能的显著提升,理想的极脉结构电极在安全性和能量密度等关键性能指标上同样展现出显著的改进。限于篇幅,这里就不再详细展开分析了。

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联系电话:17319256021(同微 信)
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来源:仿真秀App
Comsol化学电子理论化机材料储能仿生试验
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首次发布时间:2024-06-18
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